上一篇《计算放大器电路的大信号带宽就用压摆率|LTspice一条指令轻松解锁》一文,收到几位工程师的留言“如何分辨大、小信号?”这个问题是根据工程经验来区分,通常将峰峰值小于100mV的输入信号完全视为小信号进行处理,而在峰峰值大于等于100mV的输入信号的处理中,按照输入大信号分析压摆率的限制。
笔者希望工程师不仅掌握上述结论保证在大信号带宽设计满足项目需求,而且能够深入了解压摆率参数为什么会受到限制?本文将通过分析限制压摆率受到限制原因与LTspice仿真,剖析压摆率参数的使用条件是:
1) 输入端的信号
2) 幅值大的信号
1．压摆率限制原因和影响因素
放大器低频极点是受输入级的米勒补偿电容影响,压摆率是受到放大级米勒补偿电容的影响。
如图2．128,放大器的输入级与放大级电路示意图。输入级跨导gm将输入的差分信号转化为输出电流Iout,Iout流入放大级并对米勒补偿电容进行充电。流过电容的电流(ic)与电容两边电压关系,如式2-80。
当ic为常数时,电容两端的电压将随时间t呈线性变化。
图2．128 放大器放大级米勒电容示意图
所以当放大器输入的差分信号为小信号时,输入级的输出电流Iout远小于极限值,Iout随输入差分信号变化而变化,放大级的输出电压Vo不受影响。而在输入信号为大信号时,输入级的输出电流Iout达到极限值Iout(MAX),即饱和恒流状态,输入级不再遵循“虚短”原则,放大级的输出电压Vo跟随时间以固定斜率呈线性状态增加,这种现象称为压摆率限制。
影响压摆率的重要因素是放大器内部体效应,即半导体基片与衬底会形成PN节,具有结电容(体效应电容),如图2．128输入级Cbody。由于Cbody的形成将分流Iout,当Cbody等于Cc时,Iout下降50%,压摆率也将下降50%。体效应问题在同相放大电路中比较突出,因为共模电压随输入信号变化而变化进而影响Cbody。共模电压越高使得压摆率越低。在反相放大电路中,共模电压为常数,输入信号不会影响压摆率。
影响压摆率的另一因素是温度,半导体器件参数的性能与工作温度相关。在放大器数据手册中会提供压摆率与温度示意图,通常压摆率随着温度上升而在一定范围内增加,如图2．129为ADA4807压摆率与温度示意图。
2．129 ADA4807压摆率与温度示意图
2． 压摆率仿真
压摆率仿真电路如图2．130,使用ADA4807组建的缓冲器电路,分别以峰峰值为5V和50mV,频率为20KHz的方波信号作为输入激励(V3)进行瞬态仿真。
图2．130 ADA4807缓冲电路压摆率仿真图
在峰峰值为5V,频率为20KHz的方波激励信号上升沿,ADA4807的压摆率仿真结果,如图2．131。
图2．131 ADA4807缓冲电路大信号激励SR+仿真结果
在50．0033μs时ADA4807的输出电压为-2V,在50．0211μs时ADA4807的输出电压为+2V(图2．126中ADA4087压摆率测试条件为20%到80%),由此可得:
仿真计算结果224．7V/μs近似于ADA4807数据手册SR+的典型值225V/μs,如图2．126。
图2．126 ADA4807动态性能参数
在峰峰值为5V,频率为20KHz的方波激励信号下降沿,ADA4807压摆率仿真结果,如图2．132。
图2．132ADA4807缓冲电路大信号激励SR-仿真结果
在70．013μs时ADA4807的输出电压为+2V,在70．0282μs时ADA4807的输出电压为-2V(图2．126中ADA4087压摆率测试条件为80%到20%),由此可得:
仿真计算结果为263V/μs,接近数据手册SR-的典型值250V/μs,如图2．126。
在峰峰值为50mV,频率为20KHz的方波激励信号上升沿,ADA4807压摆率仿真结果,如图2．133。
图2．133 ADA4807缓冲电路小信号激励SR+仿真结果
在50．003μs时ADA4807的输出电压为-21．03mV,在50．00091μs时,ADA4807的输出电压为+18．93mV,由此可得:
可见在小信号作为激励时,压摆率的仿真计算结果为6．5V/μs,远远低于ADA4807的SR+压摆率典型值225V/μs。
比对上述仿真结果可以验证压摆率适用于大信号的带宽分析,但是大信号是作为输入条件还是输出条件仍有疑问。上述缓冲器电路在输入小信号时,输出仍然是小信号。如果将输入小信号通过增益电路产生大信号输出时,结论是否不同?
如图2．134,电路增益设计为125倍,输入信号是峰峰值为50mV,频率为20KHz的方波小信号。
图2．134 ADA4807增益为125倍的小信号激励SR+仿真电路
在峰峰值为50mV,频率为20KHz的方波激励信号上升沿,ADA4807压摆率仿真结果,如图2．135。
图2．135 ADA4807增益为125倍的小信号激励SR+仿真结果
输出信号正相的峰值为2．986V,反相峰值为-3．262,电路的闭环增益为:
计算电路增益为124．96倍,符合预期设计。在50．0237μs时ADA4807的输出电压为-2．609V,在50．2562μs时ADA4807的输出电压为+2．384V,由此可得:
该仿真计算结果为21．4V/μs与数据手册中SR+指标225V/μs仍然存在很大差异。由此可见,在电路输出为大信号,输入为小信号时压摆率也不会受限。
综上,由于放大器内部的放大级电路中存在米勒电容,使得放大器的输入端信号为大信号时,容易由于压摆率的限制导致放大器的输出信号产生失真。
